Günümüz dünyasında yenilenebilir enerji daha çok tercih edilmekte ve geliştirilmektedir. Bu tür gelişmeler enerjinin depolanma ihtiyacını doğurmuştur. Yapılan araştırmalarla birlikte elektrokimyasal depolama cihazları her ne kadar revaçta olsa da kapasitesi sınırlıdır. Bu durum kablosuz cihazların çalışma süresini kısıtlamakta ve elektrikli ulaşımda daha az yol gidilmesine sebep olmaktadır. Depolama kapasitesini artırmak amacıyla enerji depolama ile yük taşımanın birleştirildiği yapısal süperkapasitör oluşturmak için yapısal hacim kullanılmaktadır.
Araştırmacılar, yapısal süperkapasitör adı verilen bir cihaz geliştirdiler. Bu cihaz yapısal destek ve enerji depolama özelliklerine sahiptir. Ayrıca elektronik cihazlara ve araçlara daha fazla güç katarken fazladan ağırlık eklemez; şarjının daha geç bitmesini sağlayabilir. Bu çalışmalar sayesinde akıllı telefonların kasasının elektrik deposu olarak kullanılabilmesi ya da elektrikli arabaların kapılarının enerji depolaması gibi teknolojilerin gerçekleşmesinin önü açılmış olur.
Yapısal süperkapasitörlerin tasarımı tamamen yeni değildir. Ancak mekanik yükleri taşıma ve elektrik enerjisini verimli depolama konusunda iyi bir cihazdır. Geleneksel süperkapasitörler de enerji depolamada başarılıdır. Fakat yapısal bileşenler olarak çalışacak mekanik güce sahip değildir. Ayrıca yapısal malzemeler yardımcı olsa da enerji depolama konusunda zayıftır1.
Xinyu Zhang ve Tse Nga (Tina) Ng öncülüğünde bir grup araştırmacı, Science Advances’ta şimdiye kadar bildirilen en iyi süperkapasitörü elde etmeyi başardı.
Araştırmacılar, yapısal süperkapasitörleri güneş enerjisiyle çalışan minyatür tekne yapmak için kullandılar. Süperkapasitörler teknenin gövdesini oluşturacak şekilde tasarlandı. Daha sonra küçük bir motor ve devre eklendi. Güneş piline bağlanan devre, güneş ışığı etkisi altında süperkapasitörü şarj etmektedir. Bu durum teknenin motoruna güç sağlamaktadır. Tekne, yapılan testlerde su üzerinde hareket ederek yenilikçi enerji depolama çözümü amacına ulaşmış oldu.
Cihaz, elektrotlar arasında iyon akışını kolaylaştıran elektrolit ile ayrılmış bir çift elektrot yüzeyinden oluşmaktadır. Bu cihazın diğer cihazlardan farkı mekanik gücü ve elektrokimyasal performansı artırmak için kullanılan malzemelerin birleşimidir.
Süperkapasitörlerde kullanılacak elektrot seçimi ve elektrodun yüzey alanı yüksek performans elde edebilmek için önemlidir. Elektrot malzemesinin yüksek özgül kapasitansa sahip olması ve kullanılacak elektrodun yüzey alanının geniş olması kapasitansı etkilemektedir. Süperkapasitör üretiminde üç temel elektrot malzemesi kullanılmaktadır. Bunlar; karbon esaslı, metal oksit ve iletken polimerdir. Karbon esaslı elektrotlar; fazla yüzey alanına, iyi iletkenliğe, iyi kimyasal kararlılığa, kolay işlenebilme ve ucuz olma gibi özelliklerinden dolayı kullanılmaktadır2.
Elektrotlar, bir kumaşa dokunmuş karbon fiberden yapılmıştır. Bu karbon fiber kumaş için önemli yapısal güç sağlamaktadır. İletken polimer ve azaltılmış grafen oksitin birleşimiyle hazırlanan karışımla kaplanması iyon akışını ve enerji depolama kapasitesini önemli ölçüde artırmıştır. Diğer önemli yapı olan elektrolit, epoksi reçine ve polietilen oksit denilen iletken polimerin karışımıyla oluşmuştur. Epoksi reçine yapısal destek sağlamaktadır. Polietilen oksitin ilave edilmesi elektolit boyunca gözenek ağı meydana getirmektedir. Bu durum iyon hareketliliğini artırmaktadır.
Polietilen oksit konsantrasyonunun elektrolit boyunca farklı değerlerde olmasından dolayı konsantrasyon gradyanı adı verilen olay ortaya çıkması süperkapasitör tasarımının önemli bir özelliğidir. Elektrotlarla birleşik bölgelerin polietilen oksit konsantrasyonu daha yüksektir. Bu yapı, iyonların elektrot ve elektrolit arasında hızlı ve serbestçe dolaşmasını sağlarken elektrokimyasal performansını da artırır. Ayrıca polietilen oksit konsantrasyonunun yüksek olması daha fazla gözenek oluşmasına yol açarak malzemeyi zayıflatır.
Ng, “Elektrolitte en iyi performansa ulaşmanın önemli noktası bu gradyan yapısıdır. Elektrotlarla temas eden kenarlar daha yüksek elektrik performansı sağlarken orta kısmı mekanik olarak daha güçlü olacak şekilde yapılandırdık.” dedi.
Bu, yapısal enerji depolamada önemli bir ilerleme sağlamıştır. Ancak araştırmacılar yapılacak çok iş olduğunu söylüyor. Süperkapasitörlerin güç yoğunluğu fazladır, bundan dolayı hızlı bir şekilde büyük enerji patlamaları yapabilirler. Ayrıca enerji yoğunluğu pillere göre daha düşüktür.
Çalışmanın ilk yazarı Lulu Yao, “Gelecekteki çalışmalarımız süperkapasitörün enerji yoğunluğunu artırarak pillerle karşılaştırılabilir hale getirmeye yönelecek. Hedef hem daha yüksek enerji yoğunluğu hem de güç yoğunluğu elde etmek olacaktır.” dedi.
Kaynaklar
1. https://techxplore.com/news/2023-10-energy-storing-material-electronic-gadgets.html